高层建筑结构选型要点

高层建筑的结构选型要点

摘要：高层房屋建筑的结构体系主要有框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构，以及混合结构，本文对高层建筑的结构体系进行介绍，并加以分析。

关键词：高层建筑框架结构剪力墙结构筒体结构混合结构在高层建筑设计中，采用先进的结构理论与精确的计算方法固然十分重要，但在方案阶段正确进行建筑结构体系的选型也是不容忽视的。根据工程实践经验，如果建筑结构体系选型不当，那么任凭再用先进的结构理论和精确的计算方法，也较难做出安全可靠、经济合理的高层建筑结构设计。正确处理建筑结构体系的选型问题，对于建筑结构设计而言，具有至关重要的意义。在高层建筑中，抵抗水平力是设计的主要矛盾，因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问题。

一、框架结构体系

由框架梁、柱、楼板等主要构件组成。

框架建筑的主要优点：空间分隔灵活，自重轻，有利于抗震，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。框架结构体系的缺点为：框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，

属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏；钢材和水泥用量较大，构件的总数量多，吊装次数多，接头工作量大，工序多，浪费人力，施工受季节、环境影响较大；不适宜建造高层建筑，因此适用需要大空间的、层数不宜太多、房屋的高度不宜太高的建筑。如：商场、住宅、办公楼等。框架应当纵横双向布置，形成双向抗侧力体系。较高的高层建筑不宜采用框架结构。

图1：抗震房-房屋框架结构

二、剪力墙结构体系

剪力墙结构指的是竖向的钢筋混凝土墙板，水平方向仍然是钢筋混凝土的大楼板搭载墙上，这样构成的一个体系，叫剪力墙结构。为什么叫剪力墙结构，其实楼越高，风荷载对它的推动越大，那么风的推动叫水平方向的推动，如房子，下面的是有约束的，上面的风一吹应该产生一定的摇摆的浮动，摇摆的浮动限制的非常小，靠竖向墙板去抵抗，风吹过来，板对它有一个对顶的力，使得楼不产生摇摆或者是产生摇摆的浮度特别小，在结构允许的范围之内，比如：风从一面来，那么板有一个相当的力与它顶着，沿着整个竖向墙板的高度上相当于一对的力，正好像一种剪切，相当于用剪子剪楼而且剪楼的力越往下剪力越大，因此，把这样的墙板叫剪力墙板，也说明竖向的墙板不仅仅承重竖向的力还应该承担水平方向的风

荷载，包括水平方向的地震力和风对它的一个推动。

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力。钢筋混凝土墙板能承受竖向和水平力，它的钢度很大，空间整体性好，房间内不外露梁、柱楞角，便于室内布置，方便使用。

剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。缺点是不能提供大空间房屋结构延性较差。

当地下室或下部一层、几层，需要大空间时（如商场、停车库等）即形成部分框支剪力墙结构。在框架-剪力墙结构和剪力墙结构两种不同结构的过渡层必须设置转换层。

剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑。但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、单身宿舍。而宾馆中需要大空间的门厅，餐厅、商场等往往设置在另外的建筑单元中。

三、框架-剪力墙结构体系

框架-剪力墙结构也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度，框剪结构的受力特点，是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。因为，在下部楼层，剪

力墙的位移较小，它拉着框架按弯曲型曲线变形，剪力墙承受大部分水平力，上部楼层则相反，剪力墙位移越来越大，有外侧的趋势，而框架则有内收的趋势，框架拉剪力墙按剪切型曲线变形，框架除了负担外荷载产生的水平力外，还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力，剪力墙不但不承受荷载产生的水平力，还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力，所以，上部楼层即使外荷载产生的楼层剪力很小，框架中也出现相当大的剪力。

由于框架结构的主要特点是能获得大空间的房屋，房间布置灵活。而其主要弱点是侧向刚度较小，侧移较大。而剪力墙结构侧向刚度大，可减小侧移。但是全剪力墙结构无法布置大空间房层。因此，框架-剪力墙结构体系恰好是对两者取长补短，既能布置大空间房屋与小空间房屋，布置灵活，又具有较大的侧向刚度，弥补纯框架结构之不足，所以广泛用于层数较多我、房屋总高较高的建筑，而且可以灵活布置大小空房间，适应较多的建筑功能要求。

图2：框架剪力墙结构

对于地震区建筑来说，框架-剪力墙结构具有两道抗震防线即剪力墙与框架。

框架-剪力墙结构的主要缺点，由于功能要求，剪力墙布置位置往往受到限制，往往不可避免地造成刚心、质心不重合，产生偏心扭矩。同时其侧向刚度还是偏小，房屋建造高度爱到限制。

四、筒体结构体系

筒体结构由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展

而来。筒体结构是将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，多用于写字楼建筑。

筒体结构包括框架-核心筒结构、筒中筒结构和筒束结构。

框架-核心筒结构

框架-核心筒结构由实体的核心筒和外框架构成。一般将楼电梯间及一些服务用房集中在核心筒内；其他需较大空间的办公用房、商业用房等布置在外框架部分。由于核心筒实际上是两个方向的剪力墙构成封闭的空间结构，具有更好的整体性与抗侧刚度。

框架-核心筒结构体系适用于高度较高，功能较多的建筑。

筒中筒结构

筒中筒结构是由实体的内筒与空腹的外筒组成。中央为薄壁筒，外围为框筒组成的结构。目前世界上层数最多的纽约世界贸易中心（110层，高412米，即采用这种结构。中国目前最高的深圳国际贸易中心（52层,高160米，和按地震烈度9度设防的北京中央彩色电视中心（24层，高107米）也采用了这种结构。在有些工程中还采用了三重筒、四重筒结构。

空腹外筒由密排柱及高度较大的横梁组成。筒中筒结构体系具有更大的整体性与侧向刚度，因此适用于高度很大的建筑。如果将若干筒体组合成成组筒结构体系，则侧向刚度更大，可适用于特别高的超高层建筑。